RU2502049C1 - Small-size platformless inertial navigation system of medium accuracy, corrected from system of air signals - Google Patents
Small-size platformless inertial navigation system of medium accuracy, corrected from system of air signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2502049C1 RU2502049C1 RU2012127191/28A RU2012127191A RU2502049C1 RU 2502049 C1 RU2502049 C1 RU 2502049C1 RU 2012127191/28 A RU2012127191/28 A RU 2012127191/28A RU 2012127191 A RU2012127191 A RU 2012127191A RU 2502049 C1 RU2502049 C1 RU 2502049C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- block
- input
- output
- unit
- speed
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области малогабаритных бесплатформенных инерциальных систем навигации (БИНС) для различного класса носителей от авиационных до наземных.The invention relates to the field of small-sized strapdown inertial navigation systems (SINS) for a different class of carriers from aviation to ground.
Уровень техникиState of the art
Использование малогабаритных БИНС с «грубыми» и средней точности чувствительными элементами (ЧЭ) описано в ряде патентов США корпорации American GNC, например, в ряде патентов о малогабаритных микромеханических инерциальных измерительных устройствах (патенты США №6671648, 6522992, 6516283) и о способах обработки измерений параметров движения носителя с их применением (патенты США №0697758, 6651027, 6494093, 6473713, 6427131). Основное внимание в этих патентах уделено предоставлению преимуществ по сравнению с обычными традиционными блоками ЧЭ на основании использования внешних датчиков навигационной информации (типа GPS), использовании демпфирования ошибок вычислительной платформы и т.д.The use of small-sized SINS with “coarse” and medium-precision sensitive elements (SE) is described in a number of US patents of American GNC Corporation, for example, in a number of patents on small-sized micromechanical inertial measuring devices (US Patent Nos. 6671648, 6522992, 6516283) and on methods for processing measurements media motion parameters with their use (US Pat. Nos. 0697758, 6651027, 6494093, 6473713, 6427131). The main focus of these patents is on providing advantages over conventional traditional SE units based on the use of external navigation information sensors (such as GPS), the use of error damping of the computing platform, etc.
Основным недостатком данных БИНС является невозможность длительного функционирования в автономном режиме при отключении спутниковой навигационной системы (СНС), что принципиально важно, например, при постановке активных помех любого типа (так называемое «GPS jamming») для СНС. При наличии помех типа «jamming» БИНС становится полностью неработоспособной в интегрированном (совместном с СНС) режиме, так как пропадает внешняя навигационная информация, использовавшаяся для демпфирования ошибок вычислений. При этом ошибки определения координат достигают недопустимых величин порядка десятков километров.The main drawback of the SINS data is the impossibility of long-term operation in stand-alone mode when the satellite navigation system (SNA) is turned off, which is fundamentally important, for example, when setting active interference of any type (the so-called “GPS jamming”) for the SNA. In the presence of jamming type interference, the SINS becomes completely inoperative in the integrated (joint with the SNA) mode, as the external navigation information used to damp the calculation errors is lost. At the same time, errors in determining coordinates reach unacceptable values of the order of tens of kilometers.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому устройству является малогабаритная БИНС ориентации на «грубых» ЧЭ (авторский патент РФ №2382988, МПК G01C 23/00, опубл. 27.02.2010). Данная система осуществляет демпфирование ошибок с использованием разности ускорений БИНС и системы воздушных сигналов (СВС).The closest analogue (prototype) to the proposed device is a small-sized SINS targeting "coarse" CE (copyright patent of the Russian Federation No. 2382988, IPC G01C 23/00, published on 02.27.2010). This system performs error damping using the difference between the SINS accelerations and the air signal system (SHS).
Основным ограничением такой БИНС является тот факт, что она не производит счисления скоростей и координат, а определяет только углы ориентации. Демпфирование по разности ускорений, применяемое в прототипе, не может быть использовано для определения координат, поскольку приводит к недопустимо большим ошибкам в определении скоростей, а следовательно, и координат при интегрировании скоростей, тогда как для углов ориентации обеспечивается вполне разумная точность.The main limitation of such a SINS is the fact that it does not reckon velocities and coordinates, but determines only orientation angles. Damping by the difference in accelerations used in the prototype cannot be used to determine the coordinates, since it leads to unacceptably large errors in determining the velocities, and hence the coordinates when integrating velocities, while quite reasonable accuracy is provided for orientation angles.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Главная задача предлагаемого изобретения - существенное повышение точности счисления скоростей и координат движущегося объекта с малогабаритной БИНС средней точности в автономном режиме без использования постоянно обновляемых в реальном времени сигналов работающей СНС. Используя составляющие скорости ветра и воздушную скорость, возможно определить скорость объекта относительно Земли в отсутствие истинных сигналов от СНС (в первую очередь при наличии активных помех любого типа СНС - «jamming»).The main objective of the invention is a significant increase in the accuracy of calculating the speeds and coordinates of a moving object with small SINS of medium accuracy in offline mode without the use of constantly updated real-time signals of the working SNA. Using the components of wind speed and airspeed, it is possible to determine the speed of an object relative to the Earth in the absence of true signals from the SNA (primarily in the presence of active interference of any type of SNA - “jamming”).
Технический результат достигается тем, что в БИНС реализуют две вычислительных навигационных платформы, каждая из которых имеет свой закон управления (демпфирование инерциальных ошибок), зависящий от параметров движения носителя, а именно от составляющих горизонтальных ускорений носителя. Первая платформа является традиционной невозмущаемой вычислительной платформой, но с демпфированием по собственным ускорениям. Вторая осуществляет демпфирование ошибок по разности показаний скоростей ИНС и системы воздушных сигналов (СВС). При этом предварительно при наличии сигналов СНС определяют ошибку невыставки ИНС в азимуте, скорость и направление ветра. Первая платформа обеспечивает счисление углов тангажа и крена ориентации носителя, тогда как вторая - угла курса и счисление проекций скоростей носителя и его географических координат с учетом предварительно определенных и запомненных оценок скорости ветра и его направления.The technical result is achieved by the fact that in the SINS two computational navigation platforms are implemented, each of which has its own control law (damping of inertial errors), which depends on the parameters of the carrier’s movement, namely, on the components of the horizontal accelerations of the carrier. The first platform is a traditional unperturbed computing platform, but with its own acceleration damping. The second provides error damping by the difference in the speed readings of the ANN and the air signal system (SHS). In this case, preliminary, in the presence of SNA signals, the error of the non-alignment of the ANN in azimuth, the speed and direction of the wind are determined. The first platform provides the calculation of the pitch and roll angles of the carrier’s orientation, while the second provides the angle of the course and the projection of the projection of the carrier’s velocities and its geographical coordinates, taking into account predefined and remembered estimates of the wind speed and its direction.
Малогабаритная БИНС средней точности, корректируемая от системы воздушных сигналов, содержит блок чувствительных элементов (ЧЭ) средней точности, состоящий из трех акселерометров и трех датчиков угловой скорости по трем ортогональным осям, две вычислительных платформы, систему воздушных сигналов, блок определения ошибки курса и блок определения скорости ветра; связь с системой спутниковой навигации, при этом выходы сигналов линейных ускорений акселерометров и угловых скоростей блока ЧЭ, а также выход системы воздушных сигналов соответственно соединены с первыми, вторыми и третьими входами первой и второй вычислительных платформ, выход системы воздушных сигналов также соединен с первым входом блока определения скорости ветра; система спутниковой навигации связана с первым входом блока определения ошибки курса и со вторым входом блока определения скорости ветра, выход которого соединен с четвертым входом второй вычислительной платформы, выход которой по скорости носителя соединен со вторым входом блока определения ошибки курса, выход которого соединен с пятым входом второй вычислительной платформы, выходы которой являются выходами системы по углу курса, скорости и географическим координатам носителя, а выходы первой вычислительной платформы являются выходами системы по углам тангажа и крена носителя.The small-sized SINS of medium accuracy, correctable from the air signal system, contains a block of sensitive elements (SE) of medium accuracy, consisting of three accelerometers and three angular velocity sensors along three orthogonal axes, two computing platforms, an air signal system, a heading error determination unit, and a determination unit wind speed; communication with the satellite navigation system, while the outputs of the linear acceleration signals of accelerometers and angular velocities of the SE block, as well as the output of the air signal system, respectively, are connected to the first, second and third inputs of the first and second computing platforms, the output of the air signal system is also connected to the first input of the block determination of wind speed; the satellite navigation system is connected to the first input of the heading error determination unit and to the second input of the wind speed determining unit, the output of which is connected to the fourth input of the second computing platform, the output of which is connected by the speed of the medium to the second input of the heading error determining unit, the output of which is connected to the fifth input the second computing platform, the outputs of which are the outputs of the system in the course angle, speed and geographical coordinates of the medium, and the outputs of the first computing platform are the outputs s system for pitch and roll carrier.
В составе первой вычислительной платформы свой блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, свой блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат, свой блок формирования сигналов демпфирования, свои первый и второй блоки кватернионных вычислений, свой блок вычисления матрицы направляющих косинусов и углов ориентации; своя связь с системой воздушных сигналов; при этом выход сигналов линейных ускорений акселерометров блока ЧЭ соединен с первым входом блока пересчета ускорений, выход которого соединен со входом блока вычисления скоростей навигационной системы координат и первым входом блока формирования сигналов демпфирования; выход сигналов угловых скоростей блока ЧЭ соединен с первым входом первого кватернионного блока, выход которого соединен с первым входом второго кватернионного блока; второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока вычислений скоростей навигационной системы координат и с выходом блока формирования сигналов демпфирования; выход второго кватернионного блока соединен со входом блока вычисления матрицы направляющих косинусов, а также в обратной связи со вторым входом первого кватернионного блока; первый выход обратной связи блока вычисления матрицы направляющих косинусов соединен со вторым входом блока пересчета ускорений; выход системы воздушных сигналов соединен со вторым входом блока формирования сигналов демпфирования; второй и третий выходы блока вычисления матрицы направляющих косинусов являются выходами первой вычислительной платформы и всей системы по углам тангажа и крена носителя.As part of the first computing platform, there is its own unit for converting accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, its own unit for calculating the linear and angular velocities of the navigation coordinate system, its own block for generating damping signals, its first and second blocks for quaternion computing, its own unit for computing the matrix of guiding cosines and orientation angles ; own connection with the air signal system; wherein the output of the linear acceleration signals of the accelerometers of the SE unit is connected to the first input of the acceleration conversion unit, the output of which is connected to the input of the speed calculation unit of the navigation coordinate system and the first input of the damping signal generation unit; the output of the angular velocity signals of the SE block is connected to the first input of the first quaternion block, the output of which is connected to the first input of the second quaternion block; the second and third inputs of which are connected respectively to the output of the speed calculation unit of the navigation coordinate system and to the output of the damping signal generation unit; the output of the second quaternion block is connected to the input of the block calculating the matrix of guide cosines, as well as in feedback with the second input of the first quaternion block; the first feedback output of the computing block of the matrix of guide cosines is connected to the second input of the acceleration conversion unit; the output of the air signal system is connected to the second input of the damping signal generation unit; the second and third outputs of the block of calculation of the matrix of guide cosines are the outputs of the first computing platform and the entire system at the pitch and roll angles of the carrier.
В составе второй вычислительной платформы свой блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, свой блок вычисления линейных и угловых скоростей и географических координат, свой блок формирования сигналов демпфирования, свои первый и второй блоки кватернионных вычислений, свой блок вычисления матрицы направляющих косинусов и углов ориентации; свои связи с системой воздушных сигналов, с блоком определения скорости ветра и с блоком определения ошибки курса; при этом выход сигналов линейных ускорений акселерометров блока ЧЭ соединен с первым входом блока пересчета ускорений, выход которого соединен с первым входом блока вычисления скоростей и координат; выход сигналов угловых скоростей блока ЧЭ соединен с первым входом первого кватернионного блока, выход которого соединен с первым входом второго кватернионного блока, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым выходом блока вычислений скоростей и координат; с первым выходом блока формирования сигналов демпфирования и с выходом блока определения ошибки курса; выход второго кватернионного блока соединен со входом блока вычисления матрицы направляющих косинусов, а также в обратной связи со вторым входом первого кватернионного блока; выход обратной связи блока вычисления матрицы направляющих косинусов соединен со вторым входом блока пересчета ускорений; выход системы воздушных сигналов связан с первым входом блока формирования сигналов демпфирования; выход блока вычисления матрицы направляющих косинусов по углу курса носителя связан со входом блока определения скорости ветра и со вторым входом блока формирования сигналов демпфирования; сигнал проекций воздушной скорости по показаниям СВС подан со второго выхода блока формирования сигналов демпфирования на первый вход первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом запомненных оценок проекций скорости ветра блока определения скорости ветра, а выход первого сумматора соединен с первым входом второго сумматора, на второй вход которого со знаком минус подан сигнал проекций скорости носителя со второго выхода блока вычисления скоростей и координат; а выход второго сумматора соединен с третьим входом блока формирования сигналов демпфирования и со вторым входом блока вычисления скоростей и координат, второй и третий выходы блока вычисления скоростей и координат соответственно по проекциям скорости носителя и по географическим координатам носителя, а также выход блока вычисления матрицы направляющих косинусов по углу курса носителя являются выходами второй вычислительной платформы и всей системы.As part of the second computing platform, its own unit for converting accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, its own block for calculating linear and angular velocities and geographical coordinates, its own block for generating damping signals, its first and second blocks for quaternion calculations, its own block for computing the matrix of guiding cosines and orientation angles ; its connections with the airborne signal system, with the unit for determining wind speed and with the unit for determining heading error; wherein the output of the linear acceleration signals of the accelerometers of the CE unit is connected to the first input of the acceleration conversion unit, the output of which is connected to the first input of the speed and coordinate calculation unit; the output of the angular velocity signals of the SE block is connected to the first input of the first quaternion block, the output of which is connected to the first input of the second quaternion block, the second, third, and fourth inputs of which are connected respectively to the first output of the block of speed and coordinate calculations; with the first output of the damping signal generating unit and with the output of the heading error determination unit; the output of the second quaternion block is connected to the input of the block calculating the matrix of guide cosines, as well as in feedback with the second input of the first quaternion block; the feedback output of the computing block of the matrix of guide cosines is connected to the second input of the acceleration conversion unit; the output of the air signal system is connected to the first input of the damping signal generation unit; the output of the block for computing the matrix of guide cosines along the angle of the carrier course is connected to the input of the block for determining wind speed and to the second input of the block for generating damping signals; the signal of the projections of the airspeed according to the SHS is fed from the second output of the damping signal generation unit to the first input of the first adder, the second input of which is connected to the output of the stored estimates of the projections of the wind speed of the wind speed determination unit, and the output of the first adder is connected to the first input of the second adder, to the second whose input with a minus sign is the signal of projections of the carrier velocity from the second output of the speed and coordinate calculation unit; and the output of the second adder is connected to the third input of the damping signal generation unit and to the second input of the speed and coordinate calculation unit, the second and third outputs of the speed and coordinate calculation unit, respectively, from the projections of the carrier speed and the geographical coordinates of the carrier, as well as the output of the calculation unit of the guide cosine matrix in the angle of the carrier course are the outputs of the second computing platform and the entire system.
Перечень чертежейList of drawings
Фиг.1 - блок-схема уровней иерархии устройства предполагаемой системы.Figure 1 is a block diagram of the hierarchy levels of the device of the proposed system.
Фиг.2 - блок-схема устройства первой вычислительной платформы.Figure 2 - block diagram of the device of the first computing platform.
Фиг.3 - блок-схема устройства второй вычислительной схемы устройства.Figure 3 - block diagram of the device of the second computing circuit of the device.
Фиг.4 - этапная временная диаграмма работы системы.Figure 4 is a stage timing diagram of the system.
Фиг.5 - сравнение временных графиков ошибок определения координат предлагаемым устройством и прототипом.Figure 5 is a comparison of time graphs of errors in determining the coordinates of the proposed device and prototype.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На Фиг.1…3 блоки системы имеют следующую сквозную нумерацию: 1 - блок чувствительных элементов, состоящий из трех акселерометров и трех датчиков угловой скорости, расположенных по трем ортогональным осям, 2 - система воздушных сигналов, 3 - система спутниковой навигации, 4 - 1-я вычислительная платформа, 5 - 2-я вычислительная платформа, 6 - блок определения ошибки курса, 7 - блок определения скорости ветра; в первой вычислительной платформе 4: 8 - блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, 9 - блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат, 10 - блок формирования сигналов демпфирования, 11 - первый блок кватернионных вычислений, 12 - второй блок кватернионных вычислений, 13 - блок вычисления матрицы направляющих косинусов и углов ориентации, во второй вычислительной платформе 5: 14 - блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, 15 - блок вычисления линейных и угловых скоростей и географических координат, 16 - блок формирования сигналов демпфирования, 17 - первый блок кватернионных вычислений, 18 - второй блок кватернионных вычислений, 19 - блок вычисления матрицы направляющих косинусов и углов ориентации, 20 - первый сумматор, 21 - второй сумматор.In Fig. 1 ... 3, the system blocks have the following end-to-end numbering: 1 - a block of sensitive elements consisting of three accelerometers and three angular velocity sensors located along three orthogonal axes, 2 - an air signal system, 3 - a satellite navigation system, 4 - 1 -th computing platform, 5 - 2nd computing platform, 6 - unit for determining the course error, 7 - unit for determining the wind speed; in the first computing platform, 4: 8 is a unit for converting accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, 9 is a unit for calculating linear and angular velocities of the navigation coordinate system, 10 is a damping signal generation unit, 11 is a first block of quaternion calculations, 12 is a second block of quaternion calculations 13 - block for calculating the matrix of guide cosines and orientation angles, in the second computing platform 5: 14 - block for recalculating accelerations from the coordinate system connected to the navigation system, 15 - block for calculating linear and angles x speeds and geographical coordinates, 16 - block for generating damping signals, 17 - first block for quaternion calculations, 18 - second block for quaternion calculations, 19 - block for calculating the matrix of guiding cosines and orientation angles, 20 - first adder, 21 - second adder.
На чертежах приняты следующие обозначения сигналов устройства:In the drawings, the following designations of the device signals are adopted:
из блока 1: a b - вектор сигналов кажущегося ускорения с акселерометров и ωb - вектор сигналов абсолютной угловой скорости ДУС в связанной системе координат;from block 1: a b is the vector of signals of apparent acceleration from accelerometers and ω b is the vector of signals of the absolute angular velocity of the TLS in the associated coordinate system;
из блока 2: VCHC - воздушная скорость (проекции (составляющие) скорости
из блока 3: VCHC - путевая скорость, измеренная СНС (проекции скорости (VN, VE));from block 3: V CHC - ground speed measured by SNA (velocity projection (V N , V E ));
из блока 6:
из блока 7:
Проекции любых скоростей с индексами N, Е - это проекции на оси навигационной системы координат.Projections of any speeds with indices N, E are projections on the axis of the navigation coordinate system.
На блок-схемах вычислительных платформ (индекс i=1, 2 соответствует номеру платформы): a Ni - ускорение и ωNi - угловая скорость носителя в навигационной системе координат,
V2 - путевая скорость носителя на выходе системы (VN2,VE2 - проекции скорости),V 2 - the path speed of the carrier at the output of the system (V N2 , V E2 - projection of speed),
φ2, λ2 - географические координаты (широта и долгота), полученные системой.φ 2 , λ 2 - geographical coordinates (latitude and longitude) obtained by the system.
ϑi, γi, Hi - углы ориентации соответственно тангажа, крена и курса носителя,ϑ i , γ i , H i - orientation angles, respectively, of pitch, roll and heading of the carrier,
Информационный и сигнальный обмен между входами-выходами блоков осуществляют по линиям связи, показанным на блок-схемах сплошными тонкими линиями. Линии связи представляют собой известные линии связи и информационного обмена, например, по последовательному коду, по параллельному коду, мультиплексные и др. В качестве каналов передачи данных могут использоваться различные цифровые и аналоговые каналы, например, каналы информационного обмена, выполненные в соответствии с ГОСТ 18977-79 (Комплексы бортового оборудования самолетов и вертолетов. Типы функциональных связей. Виды и уровни электронных сигналов).Information and signal exchange between the inputs and outputs of the blocks is carried out along the communication lines shown on the block diagrams by solid thin lines. Communication lines are known lines of communication and information exchange, for example, via serial code, parallel code, multiplex, etc. Various digital and analog channels can be used as data transmission channels, for example, information exchange channels made in accordance with GOST 18977 -79 (Airborne equipment and helicopter complexes. Types of functional communications. Types and levels of electronic signals).
Устройство системыSystem device
Для повышения точности и эффективности автономного определения текущих навигационных параметров (включая скорости и координаты), в отсутствие постоянно обновляемой в реальном времени информации от СНС, устройство собрано, запрограммировано, отлажено и работает следующим образом.To improve the accuracy and efficiency of the autonomous determination of current navigation parameters (including speeds and coordinates), in the absence of constantly updated real-time information from the SNA, the device is assembled, programmed, debugged and works as follows.
По измерениям, поступающим от единственного блока ЧЭ средней точности, каждая вычислительная платформа формирует собственное навигационное решение. При этом первая платформа используется только для определения углов тангажа и крена, тогда как вторая обеспечивает вычисление угла курса, путевой скорости (и ее проекций) носителя и географических координат носителя.According to the measurements received from a single unit of medium precision CE, each computing platform forms its own navigation solution. In this case, the first platform is used only for determining pitch and roll angles, while the second provides the calculation of the heading angle, ground speed (and its projections) of the carrier and the geographical coordinates of the carrier.
На Фиг.2 представлена функциональная схема первой вычислительной платформы. Это базовая платформа, которая работает в своих базовых блоках пересчета ускорений, вычисления скоростей, первом и втором кватернионном блоках, блоке вычисления матрицы направляющих косинусов и углов ориентации. По величинам угловых скоростей ωb, измеренных ДУС блока 1, рассчитывают элементы кватерниона конечного поворота от связанной системы координат к инерциальной (блок 11), а затем от инерциальной системы координат к навигационной (блок 12). По элементам второго кватерниона (блок 12) конечного поворота (q0, q1, q2, q3)1 в блоке 13 вычисляют элементы матрицы направляющих косинусов перехода от связанной системы координат к навигационной и углы ориентации (тангаж, крен) вычисляют в блоке 13 по элементам матрицы направляющих косинусов. Также элементы второго кватерниона используют в первом блоке кватернионных вычислений 11 на следующем шаге дискретных вычислений.Figure 2 presents the functional diagram of the first computing platform. This is a basic platform that works in its basic units for calculating accelerations, calculating speeds, the first and second quaternion blocks, the unit for calculating the matrix of guiding cosines and orientation angles. Using the values of the angular velocities ω b measured by the TLS of
В блоке 8 при помощи матрицы направляющих косинусов из блока 13 осуществляют пересчет ускорений a b, измеренных акселерометрами блока 1, в навигационную систему координат
Аналогично первой вычислительной платформе работает и вторая, но у нее есть существенное отличие в формировании сигналов демпфирования. Однако, хотя реализация демпфирования в блоках 10 и 16 разная, в обеих платформах их сформированные сигналы демпфирования
В первой платформе для реализации сигналов демпфирования в блоке 10 по сигналам из блока 2 СВС и блока 8 осуществляют расчет ускорений воздушной скорости, после чего они сглаживаются низкочастотным фильтром первого порядка типа
где
K, Kb - параметры (коэффициенты) демпфирования.K, K b - damping parameters (coefficients).
Реализуемое таким образом демпфирование гарантирует достаточно точное вычисление углов тангажа и крена, но оно не подходит для достаточно точного определения скоростей и географических координат (примечание: для расчета географических координат рассчитывается матрица перехода от связанной с землей системы координат к навигационной и по ее элементам рассчитываются географические координаты).The damping implemented in this way guarantees a sufficiently accurate calculation of pitch and roll angles, but it is not suitable for sufficiently accurate determination of speeds and geographical coordinates (note: to calculate geographic coordinates, the transition matrix from the ground-based coordinate system to the navigation is calculated and geographical coordinates are calculated from its elements )
Для достаточно точного определения составляющих скорости носителя и его географических координат (в отсутствие сигналов от СНС) используют другой закон демпфирования, реализованный во второй платформе. На Фиг.З приведена функциональная схема второй платформы. Здесь связи и блоки во многом совпадают с первой вычислительной платформой, за исключением реализации блока формирования сигналов демпфирования (блок 16) и коррекции текущего угла курса (по сигналу блока 6 определения ошибки курса) во втором блоке кватернионных вычислений (блок 18).For a sufficiently accurate determination of the components of the velocity of the carrier and its geographical coordinates (in the absence of signals from the SNA), another damping law is used, implemented in the second platform. Fig. 3 shows a functional diagram of a second platform. Here, the communications and blocks coincide in many respects with the first computing platform, with the exception of the implementation of the block for generating damping signals (block 16) and correction of the current heading angle (using the signal from
Для возможности счисления скоростей и координат в интегрированном (совместном) с СВС режиме необходимо использовать демпфирование по разности инерциальной скорости относительно Земли и скорости, рассчитанной по показаниям СВС, но для этого необходимо знать (по минимуму) постоянно запомненные значения (оценки) скорости и направления ветра, что и предлагается осуществить в данном изобретении.In order to be able to calculate the velocities and coordinates in the integrated (joint) with the SHS mode, it is necessary to use damping by the difference between the inertial speed relative to the Earth and the speed calculated from the SHS readings, but for this it is necessary to know (at a minimum) constantly stored values (estimates) of the wind speed and direction , which is proposed to be implemented in this invention.
При этом низкочастотное (плавное) изменение скорости ветра не скажется на точности системы на интервале времени порядка 40…60 минут, поскольку оно будет мало отличаться от постоянного запомненного значения. Тогда как относительно резкое (высокочастотное) изменение скорости ветра будет парироваться демпфирующей схемой путем уменьшения коэффициентов демпфирования, обеспечивающего ослабление демпфирования. Фактически демпфирование в этом случае будет играть роль фильтра низких частот. Такой подход возможен только в том случае, когда ЧЭ имеют точности, как минимум, на уровне систем средней точности, и не может быть использован для низкоточных систем с «грубыми» ЧЭ (как, например, в прототипе). Заметим, что к системам средней точности относятся ЧЭ с параметрами дрейфа гироскопа 0,5…2,0 град/с и смещений нуля акселерометра 10-4 g…5·10-4 g.In this case, the low-frequency (smooth) change in wind speed will not affect the accuracy of the system in the time interval of the order of 40 ... 60 minutes, since it will differ little from the constant stored value. Whereas a relatively sharp (high-frequency) change in wind speed will be counteracted by the damping circuit by reducing the damping coefficients, which ensures damping attenuation. In fact, damping in this case will play the role of a low-pass filter. Such an approach is possible only in the case where CEs have accuracy, at least at the level of medium accuracy systems, and cannot be used for low-current systems with “rough” CEs (as, for example, in the prototype). Note that medium-precision systems include CEs with gyro drift parameters of 0.5 ... 2.0 deg / s and accelerometer zero offsets of 10 -4 g ... 5 · 10 -4 g.
Во второй платформе для демпфирования используют разность проекций скорости V2 инерциальной навигационной системы (ИНС) носителя относительно Земли (блок 15), проекций воздушной скорости, рассчитанной (в блоке 16) по показаниям СВС, и запомненных оценок составляющих скорости ветра (блок 7), рассчитанных с использованием СНС к началу режима автономного (с отсутствием сигналов СНС) счисления второй платформы:The second platform for damping uses the difference of the projections of the velocity V 2 of the inertial navigation system (INS) of the carrier relative to the Earth (block 15), the projections of the air speed calculated (in block 16) from the SHS and the stored estimates of the components of the wind speed (block 7), calculated using the SNA to the beginning of the autonomous mode (with the absence of SNA signals) reckoning of the second platform:
δVN=VN2-VbcosH2-UN;δV N = V N2 -V b cosH 2 -U N ;
δVE=VE2-VbsinH2-UE.δV E = V E2 -V b sinH 2 -U E.
Здесь угол курса H2 - берется из блока 19.Here, the course angle H 2 is taken from
Эту разность скоростей, реализуемую сумматорами 20, 21, подают на вход первого интегратора в блоке вычисления линейных и угловых скоростей (блок 15); а также подают в блок формирования сигналов демпфирования 16 для формирования демпфирующего сигнала
В блоке 16 также рассчитывают с использованием сигнала курса H2 из блока 19 проекции воздушной скорости Vb от СВС на оси навигационной системы координат, поступающие затем на вход первого сумматора 20:In
Для того чтобы рассчитать скорость объекта относительно Земли по измеряемой воздушной скорости, необходимо определить оценки проекции скорости ветра на навигационную систему координат (блок 7), а также определить ошибку в счислении курса (блок 6).In order to calculate the speed of an object relative to the Earth by measured airspeed, it is necessary to determine the projection of the wind speed onto the navigation coordinate system (block 7), and also to determine the error in the course calculation (block 6).
Для получения оценок проекций (составляющих) скорости ветра UN, UE в блоке 7 используют следующие уравнения:To obtain estimates of the projections (components) of the wind speed U N , U E in
UN=VN-VbcosH;UN = V N -V b cosH;
UE=VE-VbsinH,U E = V E -V b sinH,
где Vснс=(VN, VE) - проекции скорости относительно Земли, полученной от СНС,where V ss = (V N , V E ) - projection of speed relative to the Earth received from the SNA,
H - угол курса, который вычисляется и запоминается в блоке 19 после определения ошибки угла курса и его коррекции.H is the heading angle, which is calculated and stored in
Для определения ошибки курса
Из всей совокупности уравнений следует, что используя составляющие скорости ветра и воздушную скорость, возможно определить скорость объекта относительно Земли в отсутствие истинных сигналов от СНС (в первую очередь при наличии активных помех любого типа для СНС-jamming).From the entire set of equations it follows that using the components of the wind speed and air speed, it is possible to determine the speed of the object relative to the Earth in the absence of true signals from the SNA (primarily in the presence of active interference of any type for SNA jamming).
Этапная временная диаграмма работы всей системы представлена на Фиг.4.Phased timing diagram of the operation of the entire system is presented in Figure 4.
Перед взлетом, пока летательный аппарат неподвижен, осуществляют выставку системы в горизонт (определяют начальные углы крена и тангажа). После взлета летательного аппарата осуществляют сначала грубую, затем точную выставку в азимуте (определяют ошибку курса в блоке 6) по сигналам СНС и параллельно определяют в блоке 7 скорость ветра с использованием СНС и СВС. После чего СНС может быть отключена и система может перейти в автономный режим, используя только СВС.Before takeoff, while the aircraft is stationary, the system is set to the horizon (the initial angles of roll and pitch are determined). After the take-off of the aircraft, a rough, then accurate, azimuthal display is carried out (heading error in
Важно отметить, что в случае наличия удовлетворительного сигнала СНС система всегда находится в интегрированном режиме с СНС, и только при наличии отказа СНС (при наличии помех (jamming)) система переходит в предлагаемый режим автономного счисления с СВС. При этом блоки 6 и 7 обновляют свои сигналы только в интегрированном режиме с СНС, а при переходе в автономный режим происходит запоминание последних обновленных значений в блоках 6 и 7, которые затем используют в расчетах автономного режима.It is important to note that in the case of a satisfactory SNA signal, the system is always in integrated mode with the SNA, and only if there is a failure of the SNA (in the presence of jamming) does the system switch to the proposed autonomous reckoning mode from the SHS. In this case, blocks 6 and 7 update their signals only in the integrated mode with the SNA, and when switching to offline mode, the last updated values are stored in
Данное техническое устройство реализовано компанией ООО «ТеКнол» (Россия) в серийном изделии «КомпаНав-5» и прошло полную серию летных испытаний на различных типах летательных аппаратов. На Фиг.5 представлены ошибки ИНС в автономном режиме при отсутствии сигналов от СНС в традиционной и предлагаемой системах. Традиционная система с датчиками (ЧЭ) той же средней точности позволит определить текущие географические координаты на уровне 50…60 морских миль, что в 40…50 раз хуже, чем в предлагаемой системе «КомпаНав-5».This technical device was implemented by TeKnol LLC (Russia) in the serial product KompaNav-5 and passed a complete series of flight tests on various types of aircraft. Figure 5 presents the errors of the ANN in offline mode in the absence of signals from the SNS in the traditional and proposed systems. A traditional system with sensors (SE) of the same average accuracy will determine the current geographical coordinates at the level of 50 ... 60 nautical miles, which is 40 ... 50 times worse than in the proposed CompaNav-5 system.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012127191/28A RU2502049C1 (en) | 2012-06-29 | 2012-06-29 | Small-size platformless inertial navigation system of medium accuracy, corrected from system of air signals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012127191/28A RU2502049C1 (en) | 2012-06-29 | 2012-06-29 | Small-size platformless inertial navigation system of medium accuracy, corrected from system of air signals |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2502049C1 true RU2502049C1 (en) | 2013-12-20 |
Family
ID=49785232
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012127191/28A RU2502049C1 (en) | 2012-06-29 | 2012-06-29 | Small-size platformless inertial navigation system of medium accuracy, corrected from system of air signals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2502049C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2591738C1 (en) * | 2015-05-19 | 2016-07-20 | Акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (АО "МИЭА") | Method of increasing accuracy of initial alignment of strapdown inertial system |
RU2661446C1 (en) * | 2017-08-16 | 2018-07-16 | Сергей Анатольевич Черенков | Method of determining navigation parameters of object and strapdown inertial navigation system for implementation of method |
RU2689840C1 (en) * | 2018-10-10 | 2019-05-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте" | Vehicle positioning device |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3883812A (en) * | 1971-12-20 | 1975-05-13 | Nasa | Diode-quad bridge circuit means |
EP0763714A2 (en) * | 1995-08-22 | 1997-03-19 | The Boeing Company | Cursor controlled navigation system for aircraft |
US6408245B1 (en) * | 2000-08-03 | 2002-06-18 | American Gnc Corporation | Filtering mechanization method of integrating global positioning system receiver with inertial measurement unit |
RU2265190C1 (en) * | 2004-03-23 | 2005-11-27 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Complex navigation system |
RU2382988C1 (en) * | 2008-12-24 | 2010-02-27 | Олег Степанович Салычев | Strapdown inertial reference system on "coarse" detecting elements |
-
2012
- 2012-06-29 RU RU2012127191/28A patent/RU2502049C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3883812A (en) * | 1971-12-20 | 1975-05-13 | Nasa | Diode-quad bridge circuit means |
EP0763714A2 (en) * | 1995-08-22 | 1997-03-19 | The Boeing Company | Cursor controlled navigation system for aircraft |
US6408245B1 (en) * | 2000-08-03 | 2002-06-18 | American Gnc Corporation | Filtering mechanization method of integrating global positioning system receiver with inertial measurement unit |
RU2265190C1 (en) * | 2004-03-23 | 2005-11-27 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Complex navigation system |
RU2382988C1 (en) * | 2008-12-24 | 2010-02-27 | Олег Степанович Салычев | Strapdown inertial reference system on "coarse" detecting elements |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2591738C1 (en) * | 2015-05-19 | 2016-07-20 | Акционерное общество "Московский институт электромеханики и автоматики" (АО "МИЭА") | Method of increasing accuracy of initial alignment of strapdown inertial system |
RU2661446C1 (en) * | 2017-08-16 | 2018-07-16 | Сергей Анатольевич Черенков | Method of determining navigation parameters of object and strapdown inertial navigation system for implementation of method |
RU2689840C1 (en) * | 2018-10-10 | 2019-05-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте" | Vehicle positioning device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111721289B (en) | Vehicle positioning method, device, equipment, storage medium and vehicle in automatic driving | |
CN110095800B (en) | Multi-source fusion self-adaptive fault-tolerant federal filtering integrated navigation method | |
CN107990910B (en) | Ship large azimuth misalignment angle transfer alignment method based on volume Kalman filtering | |
CN106990426B (en) | Navigation method and navigation device | |
CN101256080B (en) | Midair aligning method for satellite/inertia combined navigation system | |
RU2380656C1 (en) | Integrated strapdown inertial and satellite navigation system on coarse sensors | |
CN106767787A (en) | A kind of close coupling GNSS/INS combined navigation devices | |
Ladetto et al. | Digital magnetic compass and gyroscope integration for pedestrian navigation | |
CN108761512A (en) | A kind of adaptive CKF filtering methods of missile-borne BDS/SINS deep combinations | |
RU2539140C1 (en) | Integrated strapdown system of navigation of average accuracy for unmanned aerial vehicle | |
CN103557864A (en) | Initial alignment method for micro electro mechanical system (MEMS) strap-down inertial navigation adaptive square-root cubature Kalman filtering (SCKF) | |
CN112146655A (en) | Elastic model design method for BeiDou/SINS tight integrated navigation system | |
CN107289942A (en) | A kind of relative navigation system and method for formation flight | |
CN110849360A (en) | Distributed relative navigation method for multi-machine cooperative formation flight | |
RU2382988C1 (en) | Strapdown inertial reference system on "coarse" detecting elements | |
RU2502049C1 (en) | Small-size platformless inertial navigation system of medium accuracy, corrected from system of air signals | |
CN104501809A (en) | Attitude coupling-based strapdown inertial navigation/star sensor integrated navigation method | |
RU2487318C1 (en) | Platform-free inertial attitude and heading reference system based on sensitive elements of medium accuracy | |
RU2654964C1 (en) | Method for determining of adjustment corrections in the strap down inertial navigation system | |
RU2539131C1 (en) | Strapdown integrated navigation system of average accuracy for mobile onshore objects | |
CN103256932A (en) | Replacement and extrapolation combined navigation method | |
Hasan et al. | Evaluation of a low-cost MEMS IMU for indoor positioning system | |
Eldesoky et al. | Performance enhancement of low-cost MEMS inertial sensors using extensive calibration technique | |
Wang et al. | Uav attitude measurement based on enhanced mahony complementary filter | |
RU2594631C1 (en) | Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor |